摘要: 介紹了氣泡混合輕質土的概念及其主要特性,然后通過塌方原因分析、處治方案設計、結構計算等相關研究,提出了在塌腔內回灌氣泡混合輕質土的處治方案。工程應用表明,該處治方案達到了減載充填、有效控制圍巖變形的預期目的,確保了運營期間隧道結構穩定,可以推廣用于其他工程。
1 氣泡混合輕質土概述
1.1 概念
氣泡混合輕質土是一種在原料土或砂中加入固化劑、水、氣泡,經充分混合、攪拌后形成的輕型填筑材料。當主要利用其輕質性而對強度要求不高時,亦可在不加入原料土或砂的情況下,直接由固化劑、水和氣泡混合攪拌而成。氣泡混合輕質土的固化劑主要采用水泥,必要時可摻入早強劑、憎水劑等外加劑及粉煤灰、石灰等外摻料。憎水劑可減少輕質土因泡水對其容重的影響。由于氣泡混合輕質土固有的優越性,可用于各種條件下的減荷設計、路基加寬、溶(孔)洞填充、房屋隔音隔熱等,解決軟基地區的橋頭跳車、寒冷地區的路基凍脹和高填土路堤的邊坡穩定等問題。其在隧道中的應用,可緩解隧道進出口開挖的偏壓,避免山體坍塌避免破壞自然山體形態,維持自然地質地理環境平衡,環保優勢明顯。見圖1。
隧道襯砌支護結構設計要求其覆土荷重必須在結構能夠承受的范圍內,如實際覆土荷重超過了結構承受的能力,則必須對上覆填土進行減荷。如北京奧林匹克公園中心區地下聯系通道的隧道工程,設計上采用明挖施工,要求覆土厚度不超過5 m,而很多段落隧道頂板埋深在5～ 10 m; 再如廣州新光快速路工程,上跨已建的地鐵隧道,新建路堤亦需減荷。該兩處工程,均采用了氣泡混合輕質土進行換填減荷。和對地下隧道結構進行再次加固相比,該法要簡單便捷得多,且造價低廉,具備明顯的技術經濟優勢。
1.2 氣泡混合輕質土的主要特性
( 1)輕質性。
氣泡混合輕質土中分布著大量的獨立閉合膠質氣泡,氣泡膜是一種具有強韌性的膠質物質,氣泡之間互不相通,從而使材料的容重比常規土體小得多(見表1)。根據工程的實際需要,通過適當調整氣泡、水、固化劑等的含有率,氣泡混合輕質土的容重可在5～ 12 kN /m3的范圍內自由調整。
(2)強度可調節性。
和容重的可調節性原理一樣,通過改變各種成分的比例,其強度可在0. 3～ 5 M Pa的范圍內自由調整。
(3)高流動性。
氣泡混合輕質土拌和物具有良好的流動性,主要通過管道泵送,其最大輸送距離可達到500 m。
(4)固化后的自立性。
由于一般都是采用水泥作為固化劑,普通水泥在澆注4h后開始固化自立,快凝特種水泥在澆注1. 5～ 2 h后開始固化自立。固化后對擋土結構物幾乎沒有推擠力,因而可進行垂直填筑。
(5)良好的施工性。
由于具有良好的流動性和固化后的自立性,且澆注時無需振搗和碾壓,可以進行遠距離或狹小空間內施工。施工時無需其他大型輔助設備,施工過程中基本不受交叉作業時其他施工的干擾和影響,其填筑速度較一般填土快。
(6)耐久性和穩定性。
與高分子材料相比, 其屬于水泥類材料,耐久性、耐熱性及抗油污能力強,具有水泥制品同等的耐久性。
(7)環保性。
輕質土施工占地小,拌和物通過軟管輸送,施工過程中基本不產生廢棄物,其各種成分無毒無害,不會對人體造成傷害和對圍巖造成污染。
2 隧道塌方特點及原因分析
2.1 塌方段開挖、支護情況
某隧道受構造影響較大,自然巖體巖質不一、成分混雜、軟弱夾層與隧道成小角度相交,對隧道圍巖的穩定性影響很大。塌方段隧道實際揭露圍巖為新鮮花崗巖中夾輝綠巖斷層破碎帶,掌子面左側圍巖堅硬完整,中間偏右為輝綠巖巖脈,受全～ 強風化巖脈影響右側為強風化花崗巖,斷層破碎帶寬2. 5～3 m,傾角82°,走向與隧道軸線基本平行,地下水主要在斷層破碎帶內發育,局部涌水量較大。該段原設計為Ⅴ類圍巖,變更為Ⅲ 類圍巖開挖、支護,設置系統錨桿,采用格柵拱架支護,初期支護厚22 cm,開挖、支護完成。10 d后, K7+ 573～ K7+553發生塌方,開挖掌子面里程為K7+ 500,距離塌方處50多m。塌方體開挖后發現在隧道上方形成一個高約12 m,縱向長20 m,橫向寬約16 m的空腔。從塌腔口可以看到初期支護破壞,格柵拱架在連接處剪切破壞。未塌方段初期支護有局部環向裂縫,影響范圍50 m左右。
2.2 塌方原因分析
(1)不良地質災害。
斷層破碎帶寬度較大,且縱向較長,從K7+ 610出現一直到K7+ 520,且一直位于掌子面中部,貫穿整個掌子面。對塌腔的觀察發現,塌方是沿著左右兩側的結構面發生的,且左側大塊狀整體花崗巖面直立,巖面光滑完整,且往上向隧道外側傾斜;左側圍巖也向隧道外側傾斜,巖面較破碎、不規則。塌腔呈上大下小的倒楔型,頂部最高處位于掌子面左外側,前后方塌腔面呈不規則狀,仍可見輝綠巖脈?？梢?塌體是沿著左右兩側的巖體滑落,初期支護結構受到剪切破壞而產生塌方。從塌方段開挖后情況看,掌子面內圍巖主要有3部分:左右側未坍塌圍巖(受塌方影響已擾動,內部有空隙)和中部坍塌圍巖。左側未坍塌圍巖為灰白色弱～微風化花崗巖,穩定性較好,其結構面與中間塌方圍巖結構面垂直;右側坍塌圍巖為肉紅色弱風化花崗巖,穩定性較差,其結構面與中間塌方圍巖結構面呈不規則關系。這與開挖后的情況相符,左側已施作格柵拱架破壞,而右側格柵拱架未完全破壞,僅向隧道內側發生大變形,拱架下部形成較大空洞(見圖2) ,說明左側結構面直立且層間結合較差。
中部塌方圍巖為全～強風化花崗巖(五期)夾微風化輝綠巖(六期)。全～強風化花崗巖(五期)長約90 m,無自穩能力,在應力集中的情況下直接導致塌方,且首先沿左側直立結構面先滑落; 微風化輝綠巖(六期)呈大塊狀砌體結構,坍塌體中部基本為該巖石,自重和強度均較大, 對塌方的產生有較大影響。因此,不良地質災害是塌方的直接因素。
(2)地下水。
地下水往往是伴隨著斷層破碎帶出現的,且一般斷層破碎帶規模較大,受構造影響越大,地下水越豐富。地下水對隧道圍巖的穩定性有很大影響,表現為帶走細小顆粒、軟化結構面、產生孔隙水壓力,圍巖受地下水作用由局部失穩發展到整體失穩、破壞。因此,地下水是塌方的誘導因素之一。
(3)相鄰隧道開挖影響。
圍巖達到3次應力狀態后仍為靜荷載作用于隧道結構,相鄰隧道之間的凈間距僅33 m,隨著左線隧道掌子面臨近、通過、離開塌方位置相應里程,爆破震動均會對塌方處的圍巖擾動,并產生瞬時動荷載,隧道結構容易局部被剪切破壞,而發生塌方時左線掌子面開挖至LK7+ 562,正好位于塌方中心的同一平面位置,相距33 m。因此,相鄰隧道開挖爆破也是塌方的誘導因素之一。
2.3 塌方處治方案
塌方處治采用回灌混凝土方案。先對塌腔進行回灌混凝土至拱頂一定高度,形成護拱后再開挖、支護,塌腔加固方案見圖3。
通過“荷載-結構”模型計算得到塌腔回灌混凝土厚度不宜過大,設計為3 m,同時參考《公路隧道施工技術規范》( JT J 042- 94)、《鐵路工程設計技術手冊-隧道》[6 ] ,計算得到的塌腔上方落石的沖擊荷載和不同大小的落石關系進行研究,見表2。從表2中可見,對于小塊落石其沖擊強度和對隧道結構的附加荷載均較小。當緩沖層計算厚度為0.75 m時,半徑1 m的落石沖擊強度達2.6MPa ,附加荷載較大。
2.4 塌方處治方案優化
通過計算分析,采取緩沖層防止落石荷載對隧道結構的影響能滿足要求,緩沖層最大厚度可取4 m。理論上采用緩沖層是可行的,但從塌方處治過程看,回灌混凝土質量控制難度較大,隧道塌腔仍處于不穩定狀態,塌方長度也有所增加,初期支護施作過程中經常有空洞、落石出現,因此施工過程中不斷采取預加固、回灌混凝土等措施,保證施工安全。塌方處治完成后,對塌腔體空洞內的加固方案成了新的難題。由于回灌混凝土前無法進入塌腔進行噴混,因此,圍巖仍暴露。該處地下水發育,后期塌腔的穩定性不能保證,且由于斷層破碎帶的存在,圍巖的自穩能力較差,不能不對塌腔進行充填,而回灌緩沖層(砂層)難度很大,且其荷載較大,強度低。經過研究分析和探測塌腔高度,氣泡混合輕質土的容重僅為砂的1/3,將塌腔充填滿僅相當于回灌2～3 m的中粗砂,能滿足荷載要求;同時由于其整體性能與圍巖共同承載,效果較好。因此,決定采用往塌腔內灌注具有一定強度、容重低、防水的氣泡混合輕質土,保證塌腔充填密實,控制后期的圍巖和結構的穩定性。
3 氣泡混合輕質土的應用
3.1 塌腔填充設計
為達到減載充填塌腔的效果,達到隧道結構的承載功能,同時保證圍巖的穩定性及避免塌腔頂部再次塌方沖擊襯砌。塌腔充填材料可選用中粗砂、水泥漿和氣泡混合輕質土等,經對技術、經濟指標比較(見表3) ,綜合考慮,采用氣泡混合輕質土進行填充。
氣泡混合輕質土良好的流動性能有效保證空洞內各個狹小空間也能填充飽滿,同時它又具有一定的強度和自身固有的輕質性,在終凝形成整體后,能大大降低填充料對隧道頂的自重荷載。氣泡混合輕質土的技術參數為: 澆注濕容重不大于5. 5 kN/m3 ,后期運營容重不大于7. 0 kN /m3 ,強度大于0. 5 MPa。施工前進行了試驗,能滿足該技術標準。
3.2 氣泡混合輕質土施工
(1)施工工藝。
隧道塌方處治完畢后,塌方處從上而下由圍巖、塌腔、回灌混凝土、初期支護和二次襯砌5部分組成。而用輕質土填充塌腔只能從地表鉆孔后實現,屬于隱蔽工程施工,為保證填充質量采用從下至上分層填筑的方法進行施工。輕質土拌和物從塌腔頂部進入,因此需在塌腔與地面之間鉆孔作為輸料路徑。
(2)孔位設計。
根據塌腔的平面范圍、氣泡混合輕質土良好的流動性(擴散半徑一般能達到12 m) ,在隧道軸線兩側,塌腔正上方沿路線方向共布設5個孔位,孔徑為O130 mm, 布設位置為: 2號孔位于右幅軸線西側3 m, 3號、5號孔位于軸線上, 4號孔位于軸線東側3. 2 m, 6號孔位于軸線西側3. 5 m處,兩孔之間縱向距離為9 m。鉆孔采用抽芯鉆機成孔,澆注時起到輸送填充料、排氣和排熱等的多重作用。
(3)灌注順序。
因空洞成橢錐體狀,二次襯砌后空洞屬隱蔽狀態,根據空洞鉆孔記錄及實測深度對比,澆灌孔位腔頂標高變化大,最高與最低相差10 m,若澆灌順序選擇錯誤,則會導致澆灌孔阻塞,空氣無法排出,熱量聚集,出現局部回填不飽滿而導致空洞現象。為此,確定澆灌順序由塌腔底標高最低處依次到最高處的順序進行澆灌。鉆孔后先進行探測塌腔范圍,標高從低到高依次為6號、5號、4號、3號、2號。灌注順序為6→ 5→ 4→ 3→ 2,最后灌注孔2號孔位,確保最后澆灌排氣暢通。
(4)輕質土的制作流程。
氣泡混合輕質土的制作流程見圖4。由于施工現場用地限制,水泥漿在其他混凝土攪拌站拌制,然后用混凝土攪拌車運至施工現場,在施工現場與通過發泡裝置產生的氣泡進行充分混合形成氣泡混合輕質土拌和物, 再用承壓軟管直接泵送到塌腔頂部地面鉆孔導管入口,經導管流向塌腔。
灌注過程中不間斷探測空腔內輕質土頂面位置情況,及時調整入料口的位置,保證澆注面整體、平穩上升。灌注效果見圖5。
(4)施工注意事項。
氣泡混合輕質土應避免在雨天灌注。由于輕質土容重小(約為水的一半) ,質量輕,雨天施工很容易被雨水沖走或浮在水面上。在施工過程中,每天施工完畢后應將塌腔頂部露出地面的孔位堵塞嚴密,防止雨水進入塌腔。
4 結論
在塌方處治方案中成功地應用氣泡混合輕質土解決了隧道頂塌腔的回填與穩定性問題,消除了安全隱患,確保隧道結構穩定,并為類似工程問題提供一種全新的解決方法和手段。
(1)隧道塌方處治需要從塌方的原因出發進行設計,方能達到預期的效果。塌腔灌注氣泡混合輕質土具有施工方便、快捷、效果良好的特點,可以滿足隧道結構和圍巖所需要的強度和荷載要求。
(2)氣泡混合輕質土用于隧道頂塌腔減載充填是可行的,為解決類似的工程問題提供了一種全新方法和手段。
